第三章 4 輻射式溫度計

1、第四節(jié) 輻射式溫度計,第四節(jié) 輻射式溫度計  任何物體，其溫度超過絕對零度，都會以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動產(chǎn)生的，其中與物體本身溫度有關(guān)傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。而把能對被測物體熱輻射能量進行檢測，進而確定被測物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計。,熱輻射的最大熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外波段。紅外線，它是一種人眼看不見的光線，位于可見光中紅光以外，故稱為紅外線。

2、它的波長范圍大致在0.75～1000 μ m的頻譜范圍之內(nèi)。,第四節(jié) 輻射式溫度計一、輻射測溫的基本原理  可見光的光譜很窄，其波長僅為0.3—0.72μm；紅外光譜分布相對較廣，其波長范圍為O.72—l000μm。輻射式溫度計的感溫元件使用的波長范圍為0.3—40μm。,1.紅外線分區(qū)紅外線波長0.75～1000μm。根據(jù)紅外線與可見光的距離，紅外線分為：近紅外區(qū)（ 1～3μm）、中紅外區(qū)（3～6μm ）

3、、遠紅外區(qū)（6～15μm ） 、極遠紅外區(qū)（15～1000μm ） 。,自然界中所有物體對輻射都有吸收、透射或反射的能力，如果某一物體在任何溫度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量，則稱此物體為絕對黑體。根據(jù)基爾霍夫定律，具有最大吸收本領(lǐng)的物體，在其受熱后，也將具有最大的輻射本領(lǐng)。人們稱那些對輻射能的吸收(或輻射)除與溫度有關(guān)外，還與波長有關(guān)的物體為選擇吸收體；稱那些吸收(或輻射)本領(lǐng)與波長無關(guān)的物體為灰體。 絕

4、對黑體的吸收系數(shù)L0＝1，反射系數(shù)β0＝0，理想的絕對黑體在自然界中是不存在的，人們?yōu)榭茖W研究和實驗所需已能設(shè)計出吸收系數(shù)為0.99土0.01的近似黑體。 絕對黑體在任何溫度下都能全部吸收輻射到其表面的全部輻射能；同時它在任何一個溫度上，它向外輻射的輻射出射度(簡稱輻出度)亦最大；其它物體的輻出度總小于絕對黑體，定義全輻射率(或稱黑度系數(shù)) ，其值在0～1之間。,第四節(jié) 輻射式溫度計,2. 測溫基本原理輻射測溫的物

5、理基礎(chǔ)是普朗克(Ptanck)熱輻射定律和斯蒂芬－玻耳茲曼(Stefan—Boltzmann)定律。絕對黑體的光譜輻射亮度L(λ，T)與其波長λ、熱力學溫度T的關(guān)系由普朗克定律確定： (3-16),第四節(jié) 輻射式溫度計,如果波長λ與溫度T滿足C2／(λT)≥1，則可把普朗克公式簡化為維恩(Wien)公式。在溫度低于3000K，對于波長較短的可見光，用維恩公式替代普朗克公式產(chǎn)生的誤差＜1％

6、。,第四節(jié) 輻射式溫度計,斯蒂芬—玻爾茲曼定律描述物體所輻射出來的全波段輻射能量與溫度的關(guān)系，定律表達式為式中 W——物體單位面積所發(fā)射的輻射功率，數(shù)值上等于物體的全波輻射出射度； ε ——物體表面的法向比輻射率； σ ——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)； T ——物體的絕對溫度(K)。,第四節(jié) 輻射式溫度計,黑體的光譜輻射曲線,第四節(jié) 輻射式溫度計,實驗和理論分析表明，

7、黑體的總輻射能力與溫度的關(guān)系如下式所示： (3-17) 即在單位時間內(nèi)，由絕對黑體單位面積上輻射出的總能量與絕對溫度T的四次方成正比。式(3-17)被稱作斯蒂芬一玻耳茲曼定律。,第四節(jié) 輻射式溫度計,輻射檢測器分光電型和熱敏型。,3.輻射式測溫的特點(1)輻射式測溫是非接觸測溫，特別適合用于較遠距離的高速運動物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測量；(2)輻射式測溫反應(yīng)速度快，

8、它不需要與物體達到熱平衡的過程，只要接收到目標的紅外輻射即可測定溫度，反映時間一般都在毫秒級甚至微秒級；(3)輻射式測溫靈敏度高，由于物體的輻射能量與溫度的四次方成正比，因此物體溫度微小的變化，就會引起輻射能量較大的變化，紅外傳感器即可迅速地檢測出來；(4)輻射式測溫準確度較高，由于是非接觸測量，不會破壞物體原來溫度分布狀況，因此測出的溫度比較真實，其測量準確度可達到0.1℃以內(nèi)，甚至更??；,第四節(jié) 輻射式溫度計,(5)輻射式測溫范

9、圍廣泛，可測攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍；(6)輻射式測溫方法，幾乎可在所有溫度測量場合使用。測例如，各種工業(yè)窯爐、熱處理爐溫度測量、感應(yīng)加熱過程中的溫度測量，尤其是鋼鐵工業(yè)中的高速線材、無縫鋼管軋制，有色金屬連鑄、熱軋等過程的溫度測量等；軍事方面的應(yīng)用如各種運載工具發(fā)動機內(nèi)部溫度測量、導彈紅外（測溫）制導、夜視儀等；在一般社會生活方面如快速非接觸人體溫度測量，防火監(jiān)測等等。,工程上，測定物體的輻射亮度，相對容易。故目前國內(nèi)外

10、使用的輻射式溫度計都是根據(jù)被測物體的光譜輻射亮度來確定物體的溫度。我國目前生產(chǎn)的光譜輻射溫度計有光學高溫計、光電高溫計、全輻射高溫計、光導纖維高溫計和硅輻射溫度計等。二、光學高溫計,光學高溫計是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的非接觸式溫度計。它結(jié)構(gòu)較簡單，使用方便，適用于1000 K～3500 K范圍的溫度測量，其精度通常為1.0級和l.5級，可滿足一般工業(yè)測量的精度要求。它被廣泛用于高溫熔體、高溫窯爐的溫度測量。,上海自動化儀表廠 WGG2－2

11、01系列,輻射檢測器分光電型和熱敏型。,由于各物體的光譜發(fā)射率ελ不同，即使它們的光譜輻射亮度相同，其實際溫度也不會相等；光譜發(fā)射率大的物體的溫度比光譜發(fā)射率小的物體的溫度為低。因此物體的光譜發(fā)射率和光譜輻射亮度是確定物體溫度的兩個決定因素，如果同時考慮這兩個因素將給光學高溫計的溫度刻劃帶來很大困難。因此，現(xiàn)在光學高溫計均是統(tǒng)一按絕對黑體刻度。,第四節(jié) 輻射式溫度計,所以，用光學高溫計測量被測物體的溫度時，讀出的數(shù)值將不是該物體的實際溫

12、度，而是這個物體此時相當于絕對黑體的溫度，即所謂的“亮度溫度”。亮度溫度的定義是：在波長為 λ、溫度為T時。某物體的輻射亮度L與溫度為TL的絕對黑體的亮度L0λ 相等，則稱TL為這個物體在波長為λ時的亮度溫度。其數(shù)學表達式為 式中，ε(λ，T)——實際物體在溫度為T、波長為λ時的光譜發(fā)射率； T——實際物體的真實溫度，單位為K;

13、TL——黑體溫度，也即實際物體的亮度溫度，單位為K。,第四節(jié) 輻射式溫度計,物體的真實溫度為 對于真實物體總是ελ＜1，故測得的亮度溫度總比物體的實際溫度為低，即TL＜T。 目前，國內(nèi)工業(yè)用光學高溫計都采用紅色單色光，有效波長為0.66土0.01μm；與我國溫度量值傳遞系統(tǒng)規(guī)定的基準光學高溫計的有效波長一致?；鶞使鈱W高溫計是

14、國際溫標(ITS一90)規(guī)定溫度在銀點以上的標準儀器。 光學高溫計通常采用0.66土0.01μm的單一波長，將物體的光譜輻射亮度Lλ 和標準光源的光譜輻射亮度進行比較，確定待測物體的溫度。光學高溫計有三種形式：燈絲隱滅式光學高溫計、恒定亮度式光學高溫計和光電亮度式光學高溫計。,燈絲隱滅式光學高溫計是由人眼對熱輻射體和高溫計燈泡在單一波長附近的光譜范圍的輻射亮度進行判斷，調(diào)節(jié)燈泡的亮度使其在背景中隱滅或消失而實現(xiàn)溫度測量的。此種隱絲

15、式光學高溫計又稱目視光學高溫計或簡稱光學高溫計，國產(chǎn)WGGZ型光學高溫計就是此類高溫計。,1.物鏡；2.灰色吸收玻璃；3.燈泡；4.目鏡；5.紅色濾光片；6.顯示表頭,WGG2型光學高溫計原理圖,物鏡1和目鏡4可前后移動，調(diào)節(jié)物鏡使物體的像落在燈泡3內(nèi)的燈絲平面上，調(diào)節(jié)目鏡4，使燈絲和物體的像能清晰地看到，然后邊比較兩者的亮度，邊慢慢調(diào)節(jié)滑動電位器的觸點位置，改變流過燈絲的電流，使燈泡燈絲的亮度作相應(yīng)的改變。當被測物體的亮度大于燈

16、絲亮度時，燈絲在背景(對應(yīng)于被測物體亮度)上呈現(xiàn)暗絲(背景比燈絲亮)；當被測物體的亮度小于燈絲的亮度時,則燈絲在背景中呈亮絲(背景比燈絲暗)；逐漸調(diào)節(jié)滑動電位器，使燈絲亮度和背景亮度達到一致，此時，燈絲便隱滅在背景中；表頭6這時指示出(由滑動電位器位置所決定)被測物體的亮度溫度。得到了被測物體的亮度溫度，再根據(jù)該物體的光譜發(fā)射率，便可獲得該物體的真實溫度。 圖中的2是灰色吸收玻璃，其作用是擴大光學高溫計的量程。燈絲在其亮度溫

17、度超過1400℃時，將由于燈絲易過熱發(fā)生氧化進而使燈絲的電阻發(fā)生改變，致使電流與亮度溫度關(guān)系偏置原標定值；同時1400℃以上的高溫，使燈泡的金屬絲要升華，將在玻璃泡上沉積形成灰暗的薄膜，改變原亮度特性而帶來測量誤差。因此，當測量高于1400℃的亮度溫度時，在物鏡與燈炮之間安裝吸收率為常量的灰色吸收玻璃，以減弱被測熱源的輻射亮度。測量時，用已經(jīng)減弱了的熱源亮度和燈絲亮度進行比較，這就可以使原最高亮度溫度為1400℃的鎢絲燈，能測量更高的溫

18、度。,光學高溫計通常有兩個刻度，一個是不加灰色吸收玻璃的刻度，其范圍為800℃～1400℃；另一個是加灰色吸收玻璃的刻度。為能測量更高的溫度，有的光學高溫計在物鏡前再加一塊吸收玻璃，以進一步減弱被測物體輻射亮度；這樣可使光學高溫計測量亮度溫度高達3200℃物體的溫度。無論采用何種形式，光學高溫計鎢絲本身最高溫度均不可超過1400℃。 圖6-15中的5是紅色濾光片，它的作用是濾除人眼不敏感的光譜段，僅讓中心光譜波長為＝0.66

19、 μm的窄波段通過。此工作光譜段愈窄效果愈好。對于工業(yè)用光學高溫計。光譜范圍在O.62～O.7μm范圍所造成的誤差可忽略不計。2.光電高溫計 光學高溫計雖然有結(jié)構(gòu)相對較簡單，靈敏度高，測量范圍廣，使用方便等優(yōu)點；但是光學高溫計在測量物體的溫度時，由于要靠手動調(diào)節(jié)燈絲的亮度，由眼睛判別燈絲的“隱滅”，故觀察誤差較大，也無法實現(xiàn)自動檢測和記錄。由于科技不斷發(fā)展進步，依據(jù)光學高溫計原理制造出來的光電高溫計正在迅速替代光學高溫計

20、而廣泛用于工業(yè)高溫測量中。,光電高溫計克服了光學高溫計的主要缺點，它采用硅光電池作為儀表的光敏元件，代替人眼睛感受被測物體輻射亮度的變化，并將此亮度信號按比例轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)濾波放大后送檢測系統(tǒng)進行后續(xù)轉(zhuǎn)換處理，最后顯示出被測物體的亮度溫度。,國產(chǎn)WDL型光電高溫計工作原理圖1—物鏡；2—光闌，3、5—孔，4—光電器件；6—遮光板；7—調(diào)制器；8—永久磁鋼；9—激磁繞組，10—透鏡， 11—反射鏡，12—觀察孔，13—前置放大器；1

21、4—主放大器；15—反饋燈；16—電位差計；17—被測物體,第四節(jié) 輻射式溫度計,三、光電高溫計,測量時，從被測物體17的表面發(fā)生的輻射能由物鏡1聚焦后。經(jīng)孔徑光闌2和遮光板6上的孔3，透過裝于板6內(nèi)的紅色濾光片，射到硅光電池4上，反饋燈15發(fā)出的輻射能通過遮光板上的孔5和紅色濾光片也照射到硅光電池4上。在遮光板6的前面裝有每秒鐘振動50次的光調(diào)制器7，它交替地打開和遮住孔3和孔5，使被測物體的輻射能和反饋燈的輻射能交替地照射到硅光電池

22、4上。當兩個能量不相等時，硅光電池將產(chǎn)生一個與兩個輻射亮度差成正比的脈沖光電流，經(jīng)前置放大器13放大后，再送由倒相器、差動相敏放大器和功率放大器組成的主放大器14作進一步放大后，輸出驅(qū)動反饋燈15；反饋燈15的輻射能隨著驅(qū)動電流的改變而相應(yīng)變化。以上過程一直持續(xù)到被測物體和反射燈照射到硅光電池上的輻射能相等為止。這時硅光電池4的脈沖光電流接近于零，而流經(jīng)反饋燈電流數(shù)值的大小就代表了被測物體的亮度溫度。此電流值轉(zhuǎn)換成電壓后由電位差計16自

23、動指示和記錄被測物體的亮度溫度。圖6-16中的透鏡l0、反射鏡11和觀察孔12組成了一個人工觀察瞄準系統(tǒng)，其作用是使光電高溫計得以對準被測物體。,光電高溫計與光學高溫計相比，主要優(yōu)點有：(1)靈敏度高 光學高溫計的靈敏度最佳值為0.5℃，而光電高溫計卻能達到0.005℃，較光學高溫計提高兩個數(shù)量級；(2)精確度高 采用干涉濾光片或單色儀后，使儀器的單色性能更好，因此，延伸點的不確定度明顯降低，在2000K為0.25℃，至少比光學

24、高溫計提高一個數(shù)量級；(3)使用波長范圍不受限制 使用波長范圍不受人眼睛光譜敏感度的限制，可見光與紅外光范圍均可應(yīng)用，其測溫下限可向低溫擴展；(4)光電探測器的響應(yīng)時間短 光電倍增管可在l0-6s內(nèi)響應(yīng)，響應(yīng)時間很短；(5)便于自動測量與控制 可自動記錄或遠距離傳送。,光電高溫計由于目前的硅光電池和反饋燈等光電器件的特性離散性大，故光電器件的互換性差，所以在使用、維修時若要更換硅光電池和反饋，必須對整個儀表重新進行調(diào)整和標定

25、(刻度)。工業(yè)用光電高溫計精度等級仍為1.0級和1.5級兩種。,第四節(jié) 輻射式溫度計,四、紅外輻射測溫儀 紅外測溫儀結(jié)構(gòu)原理,第四節(jié) 輻射式溫度計,第四節(jié) 輻射式溫度計,CIT-2SN/1SN紅外測溫儀,紅外測溫儀,第四節(jié) 輻射式溫度計,它由光學系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外傳感器、放大器和指示器等部分組成。光學系統(tǒng)可以是透射式的，也可以是反射式的。透射式光學系統(tǒng)的部件是

26、用紅外光學材料制成的，根據(jù)紅外波長選擇光學材料。一般測量高溫(700℃以上)儀器，有用波段主要在0.76～3 μm的近紅外區(qū)，可選用一般光學玻璃或石英等材料。測量中溫(100℃～700℃)儀器，有用波段主要在3～5 μm的中紅外區(qū)，通常采用氟化鎂、氧化鎂等熱壓光學材料。測量低溫(100℃以下)儀器，其有用波段主要在5～14 μm的中遠紅外波段，一般采用鍺、硅、熱壓硫化鋅等材料。并通常還在鏡片表面蒸鍍紅外增透層，一方面濾掉不需要的波段，另

27、一方面增大有用波段的透射率。反射式光學系統(tǒng)多用凹面玻璃反射鏡，表面鍍金、鋁或鎳鉻等在紅外波段反射率很高的材料。調(diào)制器就是把紅外輻射調(diào)制成交變輻射的裝置。一般是用微電機帶動一個齒輪盤或等距離孔盤，通過齒輪盤或帶孔盤旋轉(zhuǎn)，切割入射輻射而使投射到紅外傳感器上的輻射信號成交變的。因為系統(tǒng)對交變信號處理比較容易，并能取得較高的信噪比。紅外傳感器是接收目標輻射并轉(zhuǎn)換為電信號的器件。選用哪種傳感器要根據(jù)目標輻射的波段與能量等實際情況確定。

28、,五、紅外探測器 分熱電型、量子型。 量子型：靈敏度高、響應(yīng)快，波長響應(yīng)范圍窄； 熱電型：靈敏度低、響應(yīng)慢，但價廉、波長響應(yīng)范圍寬。,第四節(jié) 輻射式溫度計,熱釋電紅外探測器,熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)P59圖3-36,紅外成像測溫儀1.紅外成像原理在許多場合，人們不僅需要知道物體表面的平均溫度，更需要了解物體的溫度分布情況，以便分析、研究物體的結(jié)構(gòu)，探測內(nèi)部缺陷。紅外成像就能將物體的溫度分布以圖像的形式直觀地顯示出來

29、。下面根據(jù)不同成像器件對成像原理作簡要介紹。（1）紅外攝像管,圖6－20 熱釋電攝像管結(jié)構(gòu)簡圖1－鍺透鏡 2－鍺窗口 3－柵網(wǎng) 4－聚焦線圈5－偏轉(zhuǎn)線圈 6－電子束 7－陰極 8－柵極 9－第一陽極10－第二陽極 11－熱釋電耙 12－導電膜 13－斬光器,紅外攝像管是將物體的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過電子系統(tǒng)放大處理，再還原為光學像的成像裝置。如光導攝像管、硅靶攝像管和熱釋電攝像管等。前二者是工作在

30、可見光或近紅外區(qū)的，而后者工作波段長。圖6-20是熱釋電攝像管的結(jié)構(gòu)簡圖。 該攝像管靶面為一塊熱釋電材料薄片，在接收輻射的一面覆蓋一層對紅外輻射透明的導電膜。當經(jīng)過調(diào)制的紅外輻射經(jīng)光學系統(tǒng)成像在靶上時，靶面吸收紅外輻射，溫度升高并釋放出電荷。靶面各點的熱釋電與靶面各點溫度的變化成正比，而靶面各點的溫度變化又與靶面的輻照度成正比。因而，靶面各點的熱釋電量與靶面的輻照度成正比。當電子束在外加偏轉(zhuǎn)磁場和縱向聚焦磁場的作用下掃過靶

31、面時，就得到與靶面電荷分布相一致的視頻信號。通過導電膜取出視頻信號，送視頻放大器放大后，再送到控制顯像系統(tǒng)，在顯像系統(tǒng)的屏幕上便可見到與物體紅外輻射相對應(yīng)的熱像圖。這里需要提起注意的是：熱釋電材料只有在溫度變化的過程中才產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)，溫度一旦穩(wěn)定，熱釋電就消失。所以，當對靜止物體成像時，必須對物體的輻射進行調(diào)制。對于運動物體，可在無調(diào)制的情況下成像。,（2）紅外變像管紅外變像管是直接把物體紅外圖像變成可見圖像的電真空器件，

32、主要由光電陰極、電子光學系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，均安裝在高度真空的密封玻璃殼內(nèi)。當物體的紅外輻射通過物鏡照射到光電陰極上時，光電陰極表面的紅外敏感材料（蒸涂其上的半透明銀氧銫）接收物體的紅外輻射后，便發(fā)射與表面的輻照度的大小成正比，也就是與物體發(fā)射的紅外輻射成正比的光電子。光電陰極發(fā)射的光電子在電場的作用下飛向熒光屏。熒光屏上的熒光物質(zhì)，受到高速電子的轟擊便發(fā)出可見光?？梢姽廨x度與轟擊的電子密度的大小成比例，即與物體紅外輻射的分布成比例

33、。這樣，體現(xiàn)物體各部位溫度高低的紅外圖像便被轉(zhuǎn)換成人眼很容易識別的可見光圖像。（3）固態(tài)圖像變換器固態(tài)圖像變換器是由許多小單元（稱為像元或像素）組成的受光面，各像素將感受的光像轉(zhuǎn)換為電信號后順序輸出的一種大規(guī)模集成光電器件。又稱電荷耦合攝像器件或CCD（Charge-Coupled Devices to Imaging）圖像器件。普通CCD固態(tài)圖像變換器用于紅外測溫還需要一套與之配套的光學系統(tǒng)；一方面需很好地濾除非紅外波長的其它

34、光波，另一方面需把被測物體的紅外成像投射到CCD固態(tài)圖像變換器的受光面上。一種新型集成紅外電荷耦合器件是用于紅外測溫更為理想的固體成像器件，具有良好的發(fā)展、應(yīng)用前景。,2.紅外成像儀 圖6-21 AGA—750熱像儀工作原理框圖,,根據(jù)成像原理和成像對象不同，紅外成像儀種類也較多，如圖6-21所示是國際重要的紅外熱像儀生產(chǎn)商-----瑞典AGA

35、紅外系統(tǒng)公司生產(chǎn)的AGA—750型紅外熱像儀。該熱像儀的光學系統(tǒng)為全折射式。物鏡材料為單晶硅，通過更換物鏡可對不同距離和大小的物體掃描成像。光學系統(tǒng)中垂直掃描和水平掃描均采用具有高折射率的多面平行棱鏡，掃描棱鏡由電動機帶動旋轉(zhuǎn)，掃描速度和相位由掃描觸發(fā)器、脈沖發(fā)生器和有關(guān)控制電路控制。紅外傳感器輸出的微弱信號送入前置放大器進行放大。溫度補償電路輸出信號也同時輸入前置放大器，以抵消目標溫度隨環(huán)境溫度變化而引起的測量值的誤差。前置放大

36、器的增益可通過調(diào)整反饋電阻進行控制。前置放大器的輸出信號，經(jīng)視頻放大器放大，再去控制顯像管屏上射線的強弱。由于紅外傳感器輸出的信號大小與其所接收的輻照度成比例，因而顯像熒屏上射線的強弱亦隨傳感器所接收的輻照度成比例變化，從而實現(xiàn)被測物體溫度成像與測量。AGA—750型紅外熱像儀測溫范圍為：-20℃～900℃，最小溫度分辨力：0.2℃（目標物體溫度為30℃時），幀頻：6.5幀/秒。AGA公司另一型號AGA—750型紅外熱像儀測

37、溫范圍為：-20℃～2000℃。,三、輻射溫度計 輻射溫度計是根據(jù)全輻射定律，基于被測物體的輻射熱效應(yīng)進行工作的。它通常由輻射敏感元件、光學系統(tǒng)、顯示儀表及輔助裝置等幾大部分組成。輻射溫度計是最古老、最簡單、較常用的非接觸式高溫檢測儀表，過去習慣稱之為全輻射溫度計。雖然此種儀器有能聚集被測物體輻射能于敏感元件的光學系統(tǒng)，但實際上任何實際的光學系統(tǒng)都不可能全部透過或全部反射所有波長范圍的全部輻射能，所以把它直接稱之為輻射溫度計

38、，似乎更合理一些。 輻射溫度計與光學高溫計一樣是按絕對黑體進行溫度分度的，因此用它測量非絕對黑體的具體物體溫度時，儀表上的溫度指示值將不是該物體的真實溫度，我們稱該溫度為此被測物體的輻射溫度。由此，我們可以給輻射溫度定義為：黑體的總輻射能量等于被測非黑體的總輻射溫度。其數(shù)學表達式為,,輻射溫度計的敏感元件，分光電型與熱敏型兩大類。⑴光電型 常用的有光電倍增管、硅光電池、鍺光電二極管等。這類敏感元件的特點是響應(yīng)速度極快

39、，而同類元件光電特性曲線一致性不是很好，故互換性較差。 表6-7 一些材料在給定溫度范圍內(nèi)的全發(fā)射率,(2)熱敏型 常用的有熱敏電阻、熱電堆(由熱電偶串聯(lián)組成)等。這類敏感元件的特點是對響應(yīng)波長無選擇性，靈敏度高，同類元件的熱電特性曲線一致性好，響應(yīng)時間常數(shù)較大，通常為0.01s～1s。,圖6-17 全輻射高溫計的構(gòu)造示意圖 1—物鏡；2—光闌；3—銅殼；4—玻璃泡；

40、5—熱電堆； 6—鉑黑片；7—吸收玻璃；8—目鏡；9—小孔；10—云母片,輻射高溫計光學系統(tǒng)的作用是聚集被測物體的輻射能。其形式有透射型和反射型兩大類。光學系統(tǒng)中的物鏡通常為平凸形透鏡。透鏡的材料選用取決于溫度計測溫范圍。測溫范圍為400℃～1200℃時，應(yīng)選石英玻璃材料(它可透過0.3～0.4 μm的光譜段)；當測溫范圍為700℃～2000℃時，透鏡材料應(yīng)選用K－9型光學玻璃(透過光譜段為0.3～2.7

41、 μm)。所以測量范圍不同的輻射溫度計的物透鏡材料是不同的。圖6-17是采用熱電堆作敏感元件的輻射溫度計結(jié)構(gòu)示意圖。 輻射高溫計的測量儀表按顯示方式可分為自動平衡式、動圈式和數(shù)字式三類。它們均包括測量電路、顯示驅(qū)動電路、指示器；數(shù)字式測量儀表還包括模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。自動平衡式測量儀表需有平衡驅(qū)動的執(zhí)行器，如小型步進電機。 輻射高溫計的輔助裝置主要包括水冷卻和煙塵防護裝置。與光學高溫計相比較，輻射高溫計的測量誤差要大

42、一些。其原因是被測物體的光譜發(fā)射率比其全輻射發(fā)射率穩(wěn)定、準確。另外在λ＝0.66 μm時，光譜輻射能的增加量比全輻射能的增加量大得多，故光學高溫計的靈敏度高。鑒于以上原因，輻射高溫計在使用上遠不及光學高溫計普遍，并有進一步被淘汰的趨勢。,比色高溫計  維思位移定律指出：當溫度升高時，絕對黑體輻射能量的光譜分布要發(fā)生變化。一方面輻射峰值向波長短的方向移動，另一方面光譜分布曲線的斜率將明顯增加；斜率的增加致使兩個波長

43、對應(yīng)的光譜能量比發(fā)生明顯的變化。把根據(jù)測量兩個光譜能量比(兩波長下的亮度比)來測量物體溫度的方法稱比色測溫法；把實現(xiàn)此種測量的儀器稱為比色高溫計。用此種方法測量非黑體時所得的溫度稱之為“比色溫度”或“顏色溫度”。所以，可把比色溫度定義為：絕對黑體輻射的兩個波長λ1和λ2的亮度比等于被測輻射體在相應(yīng)波長下的亮度比時，絕對黑體的溫度就稱為這個被測輻射體的比色溫度。 絕對黑體，對應(yīng)于波長λ1與λ2的光譜輻射亮度之比R，可用下式表示

44、： (6-25),兩邊取自然對數(shù)，得 (6-26) 整理得 (6-27)根據(jù)比色溫度的定義，應(yīng)用維恩公式，可導出物體的真實溫度和其比色溫度的關(guān)系： (6-28),式中 TB——為絕對黑體溫度，也即物體的比色溫度； T——

45、為物體的真實溫度； ε(λ1，T)、ε(λ2，T)——為物體在λ1和λ2時的光譜發(fā)射率。 通常λ1和λ2為比色高溫計出廠時統(tǒng)一標定的定值，由制造廠家選定。例如選0．8 μm的紅光和lμm的紅外光。 對于灰體，由于其 ，所以灰體的真實溫度與其比色溫度相一致。由于很多金屬、或合金隨波長的增大，其單色光譜發(fā)射率是逐漸減小的，故這類物體的比色溫度是高于真實溫度的。而相當多的金屬其 ελ1 近似

46、等于 ελ2 ，故用比色高溫計測量此類金屬時所得的比色溫度就近似等于它們的真實溫度。以上這些是比色高溫計的一個主要優(yōu)點。其次，在測量物體的光譜發(fā)射率時，比色高溫計測量它們相對比值的精度總高于測量它們絕對值的精度；另外由于采用兩個波長亮度比的測量，故對環(huán)境氣氛方面的要求可大大降低，中間介質(zhì)的影響相對前述光譜輻射溫度計來要小得多。,綜上所述，與光譜輻射溫度計相比，比色高溫計的準確度通常較高、更適合在煙霧、粉塵大等較惡劣環(huán)境下工作。國產(chǎn)WDS

47、—II 光電比色高溫計的原理示意圖如圖6-18所示。,圖6-18 WDS— II 型光電比色高溫計1.物鏡；2.平行平面玻璃；3.回零硅光電池；4.透鏡；5.分光鏡；6.紅外濾光片； 7.硅光電池E2；8.硅光電池E1；9.可見光濾光片；10.反射鏡，11.例像鏡；12.目鏡,由圖 (a)可知，被測物體的輻射能經(jīng)物鏡l聚焦后，經(jīng)平行平面玻璃2、中間有通孔的回零硅光電池3，再經(jīng)透鏡4到分光鏡5。分光鏡的作用是反射λ1而讓λ

48、2通過，將可見光分成λ1(≈0.8 μm)、λ2(≈1μm)兩部分。一部分的能量經(jīng)可見光濾光片9，將少量長波輻射能濾除后，剩下波長約為0.8 μm的可見光被硅光電池8(即 E1)接收，并轉(zhuǎn)換成電信號U1，輸入顯示儀表；另一部分的能量則通過分光鏡5，經(jīng)紅外濾光片6將少量可見光濾掉。剩下波長為1 μm的紅外光被硅光電池7(即E2)接收，并轉(zhuǎn)換成電信號U2送入顯示儀表。 由兩個硅光電池輸出的信號電壓，經(jīng)顯示儀表的平衡橋路測量得出其

49、比值B＝U1／U2，比值的溫度數(shù)值是用黑體進行分度的。顯示儀表由電子電位差計改裝而成，其測量線路如圖 (b)所示，當繼電器J處于位置2時，兩個硅光電池El、E2輸出的電勢在其負載電阻上產(chǎn)生電壓，這兩個電壓的差值送入放大器推動可逆電機M轉(zhuǎn)動。電機將帶動滑線電阻R6上的滑動觸點移動，直到放大器的輸出電壓是零為止。此時滑動觸點的位置則代表被測物體的溫度。繼電器J處于位置1時，儀表指針回零。 在WDS— II 型光電比色高溫計中選用